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第31讲 从原子到星系
31.1 学习提要
31.1.1 原子
1.原子论
古希腊哲学家德谟克利特提出了最早的原子论，他认为物质是不连续的，分到最后是一些 不可再分的微粒，他把这沖构成物质的微粒称为原子。
2.原子模型的提出和建立
（1）汤姆生的“葡萄干蛋糕模型”：如图31-（a）所示，汤姆生设想原子中必定有等量的 正电荷存在,而正电荷像液{本一样均勾分布在原子里，电子则“浸”在其中。这一模型被人们称 为“葡萄干蛋糕模型”。

（a） （b） （c）
图31-1
（2）卢瑟福的“行星模型”：如图31-1(b)所示，汤姆生的学生英国物理学家卢瑟福设想电子像行星环绕太阳运转一样在核外绕核旋转，这一模型被称为“行星模型”。
（3）玻尔的原子模型(“电子云模型”)：如图31-1(c)所示,原子中的电子以极高的速度在极小的原子核外空间运动，它们的运动状况只能用电子在核外空间单位体积中出现机会的 多少来描述，电子在某些区域出现的机会较多，原子中的电子不像行星环绕太阳运转时那样有 固定的轨道，而是形成“电子云”。
2000多年来科学家在不断探寻组成物质的最基本的单元。20世纪下半叶，除了电子、 质子、中子外，物理学家又发现了一批基本粒子。基本粒子并不“基本目前已证实了组成某 些基本粒子的最小单元--------夸克的存在。
人类对原子结构的认识还在不断深化，科学的新发现一个个涌现。原子王国的秘密一个个被揭开，为彻底打开原子的秘密，科学家仍在不断努力。
31.1.2 地球和太阳系
1.地球
如图31- 2(a)所示,地球是一个悬在黑色天幕中、直径约为12 800 km的美丽的蔚蓝色球 体，蓝色是太阳光照在地球大气层上的缘故，大气层中漂浮着由水蒸气组成的白色卷云。

（a） （b） （c）
图31-2
科学研究知道：地球在一个椭圆形轨道上围绕太阳公转，同日寸又绕地轴自转。地球的运 动在不断变化，而且极不稳定。除了地球的自转外，地球的公转也不是匀速运动。
2.月球
如图31 - 2(b)所示，月球是地球唯一的天然卫星，是离地球最近的天体，它在距地球38 万千米处绕着他球运转。它本身并不发光，只反射太阳光。月球表面没有大气，白昼的温度高达120°C夜晚温度低至-150°C，它的干燥无水、多尘的表面布满了环形山。月面上到处是裸露的岩石和环形山的侧影，整个月面覆盖着一层碎石粒和浮土。从地球上看到的月球表面有明亮的区域和暗灰色部分，明亮的部分是月亮表面的山区和高地,暗灰色部分是月球表面的平原。地球和月球都已诞生了约46亿年。
3.太阳
太阳是一个极其巨大的、灼热的气体球，它是离地球最近的一颗恒星。太阳为地球提供了源源不断的能量，使人类和其他生物得以在地球上生存繁衍，构成了鸟语花香、生机勃勃的世界。
4.太阳系
天文学家们把以太阳为中心的天体系统称为太阳系，_即我们人类所在的行星系，如 图31-2(c)所示。
31.1.3 能量的转化和守恒
自然界能的形式是多种多样的，有机械能、内能、电能、原子核能、化学能、地热能、风能、太阳能……各种形式的能在一定的条件下都可以相互转化。
能量既不能创造，也不会消灭。它只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，能的总量是守恒的。这是自然界最普遍最重要的规律——能量守恒定律。
凡是能提供能量的物质资源，都可称为能源。
31.2难点释疑
31.2.1 太阳系里的“家庭成员”
概括地说，太阳系是由太阳、八大行星、卫星、小行星、彗星及行星际物质构成的天体系统。八大行星围绕太阳运动，由太阳往外的顺序分别是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海五星。离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星，它们的共同特征是密度大、 体积小、自转慢、卫星少，内部成分主要为硅酸盐,具宥固体外壳。离太阳较远的木星、土星、天王星、海王星称为类木行星(又称远日行星），它们都有很厚的大气圈，其表面特征很难了解，一般推断它们都具有与类埤行星相似的固体内核。在这八颗行星外，还存在大量气体、尘埃等物质。若以彗星的活动范围来计算，太阳系的半径可达14光年。
31.2.2 一次能源和二次能源
能源可以分成一次能源和二次能源。一次能源指自然界中以天然形式存在的能量资源， 如太阳能、化石燃料(煤、石油、天然气）、水能、风能、海洋能、地热能、核能、潮汐能等。二次能源指由一次能源直接或间接转化而来的能源，如电能、氢气、酒精、火药等。
能源又可以分为不可再生能源和可再生能源。像化石能源、核能等会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源，而水能、风能、太阳能、生物能，可以在自然界里源源不断地得到，所以它们属于可再生能源。

31.3 例题解析
31.3.1 原子模型的提出和建立
例1 依据卢瑟福的原子行星模型理论，在原子中绕核高速旋转的是（ ）
A、核子 B、电子 C、质子 D、中子
【点拨】根据原子的核式结构理论判断:原子是由原子核和核外电子组成。卢瑟福在实 验中发现原子中全部正电荷和绝大部分质量都集中在原子内一个极小的空间区域，称为原子 核。他设想电子像行星环绕太阳运转一样在核外绕核旋转.所以提出了“行星模型”。
【答案】B
【反思】原子是由原子核和核外绕核高速旋转的带负电的电子组成，原子核是由带正电 的质子和不带电的中子组成，原子核带电的数量与核外电子带电的总数量是相等的。所以原 子不带电。
31.3.2 关于太阳系
例2 表31-1是太阳系中八大行星的部分数据。由表31-1中的数据可以看出，太阳系中被称为类地行星的四颗星，离日距离由远及近的排列是 （ ）
表31-1
水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星
直径约（km） 5000 12000 12750 7000 140000 120000 52000 5000
与太阳平均距离约（106km） 60 108 150 230 780 1400 2900 4500

A、水星，金星，地球，火星 B、火星，地球，金星，水星
C、地球，火星，金星，水星 D、金星，水星，地球，火星
【点拨】了解太阳系八大行星的分类，哪些行星为“类地行星”，哪些行星为“巨行星”，哪 些行星为“远日行星”。太阳系八大行星可分成三类：类地行星四颗(水星、金星、地球和火星）；巨行星两颗(木星、土星）；远日行星两颗(天王星、海王星）。从表31-1中的数据可以看出，四颗类地行星离日距离由远及近的排列是：火星、地球、金星和水星。
【答案】B。
【反思】冥王星为什么不再被视为行星，而将其列人“矮行星”，行星指的是围绕太阳运转、呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体。冥王星由于不符合新的行星定义，因此 被降级为“矮行星”。
例3 请认真阅读表31-2的关于八大行星运动特征和结构特征数据表中的资料，写出你所发现的一条规律，并再提出一个问题。
表31-2
赤道半径（km） 与太阳间平均距离约（106km） 平均温度约（℃） 绕日周期约（年） 自转周
期约 表面状况 大气（主要成分）
水星 2440 60 -170~430 0.24 58.6天 环形坑、岩土 没有空气
金星 6050 108 480 0.62 243天 岩土、云 二氧化碳
地球 6378 150 22 1 23小时56分 岩土、云、水 氮、氧
火星 3395 230 -23 1.88 24.6小时 环形坑、岩土 二氧化碳、氪、氩
木星 71400 780 -150 11.86 9.9小时 气态 氢、氦、甲烷、氨
土星 60000 1400 -180 29.5 10.4小时 气态 氢、氦、甲烷、氨
天王星 25900 2900 -210 84 10.4小时 气态 氢、氦、氨
海王星 24750 4500 -220 164.9 16小时 气态 氢、氦、氨

(1) 你发现的规律是 。
(2) 你提出的问题是 。
【点拨】要仔细阅读表31-2中提供的数据及信息，对提供的数据、信息进行归纳总结并找出规律。太阳系中的太阳是恒星，在它内部时时刻刻发生氢核聚变，产生巨大的能量,太阳能是地球上最基本、最重要的能量来源。要找到表31-3中数据存在的规律，一定要仔细分析，找到数据中反映八大行星的共性问题。
【答案】（1）①行星离太阳越远（近），绕日周期越长（短），表面温度越低（高）；②体积较小的五颗行星表面状态是岩土，体积较大的四颗行星表面状态是气态；③木星自转最快，金星自转最慢，金星的“年”比“日”短；④水星表面温差较大，所以要标两个表面温度。（2）问题：①冥王星为什么被“开除”出行星的行列？②为什么行星离太阳越远，绕日周期越长? ③类地行星表面状况与巨行星、远日行星有什么不同？④为什么水星表面温差较大？
【反思】对提供的数据、信息能够进行归纳总结、找出规律并提出问题，能够进一步提高思维能力。
31.3.3合理利用与节约能源
例4 关于能源的利用和节能，下面说法中正确的是（ ）
A、节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关
B、由于能量既不会消灭，也不会创生，所以节约能源的意义不大
C、根据能量守恒定律，能源的利用率应该是100%
D、在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失了
【点拨】了解“绿色能源”的开发离不开科技发展，以及节约能源的伟大意义；了解能的转 换和能量守恒定律。节约能源离不开科技的进步，故选项A错误；自然界中能量是守恒的，但能为人类提供能量的物质资源是有限的，且能源利用率不高，故应节约能源，选项B、C错误。
【答案】D。
【反思】长期和大规模的开采和使用化石燃料会面临资源枯竭，而且大量使用化石燃料会破坏坏境和生态。我国能源消费结构中煤炭占66%，比例偏大，是环境污染的主要根源。我国能源平均利用效率为32%，比发达国家低近10%，主要产品单位能耗比世界平均水平高30%。所以降低能耗和污染，加速新能源和可再生能源的开发利用是我国当前急需解决的问题。
31.4 强化训练
A卷
1、19世纪末,英国物理学家汤姆生在实验中发现的基本粒子是 ，它的发现打破了原子不可再分的观念。

2、大量物质是由分子构成，分子又是由原子组成，原子是由带正电的原子核和带负电的 组成，而原子核又是由带正电的 和不带电的 组成。

3、大部分原子的直径约为10 -10 m，相当于 nm。

4、释放核能的两种方式是 和 。

5、太阳系中的小天体一般指的是 和 。

6、最常用的人造卫星有 、 、 这几种。

7、两种常用的卫星轨道是 和 。

8、世界上第一颗人造卫星发射升空时间是 年。

9、说出下列装置能量的转化：（1）电动机将电能转化成 能；（2）电热毯将电能转化成
能；（3）蓄电池将电能转化成 能。

10、在理想状态下，有一只乒乓球从某一高度自由落下地面，然后弹回原高度，在下落过程中是
能转化成 能；与地面接触之后乒兵球要发生形变，这一过程是能转化成
能；然后乒乓球开始恢复原状，这一过程又是 能转化成 能；最后上升过程中是 能转化成 能。

11、古代和近代的哲学家、科学家和思想家中，认为物质是无限可分的是 （ ）
A、德谟克利特(希腊） B、庄子（中国）
C、汤姆生（英国） D、道尔顿(英国）

12、依据卢瑟福的原子“行星模型”理论，在原子中不带电的是 （ ）
A、中子 B、质子 C、电子 D、原子核
13、按人类发现原子结构的历史顺序，对图31-3中四种原子模型进行排序，正确的是（ ）

（a）不可再分的颗粒 （b）“葡萄干蛋糕模型” （c）“电子云模型” （d）“行星模型”
A、（a）（b）（c）（d） B、（c）（d）（b）（a） C、（a）（b）（d）（c） D、（c）（b）（a）（d）

14、在下列各星球中，属于卫星的是 （ ）
A、地球 B、月球 C、水星 D、太阳

15、依据卢瑟福原子“行星模型”理论，在原子中绕核髙速旋转的是 （ ）
A、核子 B、电子 C、质子 D、中子

16、关于原子核，以下叙述正确的是 （ ）
A、原子核位于原子的中央，带负电 B、原子核外的电子带负电，并固定在某一位置
C、原子核带正电，电子带负电 D、原子核内带正电的质子和带负电的中子

17、关于原子，下列说法不正确的是 （ ）
A、原子是由原子核和带负电的电子组成
B、原子核虽小，但却几乎集中了原子的全部质量和所有正电荷
C、原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成
D、原子是由带正电的质子和不带电的中子组成

18、太阳释放着大量的能量，这些能量来自 （ ）
A、太阳内部可燃性物质的燃烧过程 B、太阳内部大规模的核裂变过程
C、太阳内部大规模的核聚变过程 D、太阳内部电能转化为内能过程

19、下列交通工具使用二次能源的是 （ ）
A、蒸汽机车 B、帆船 C、电力机车 D、太阳能机车

20、19世纪末和20世纪初，有哪些科学家在人类打开原子结构大门的科学研究中做出过杰出的贡献？他们的具体贡献是什么？

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